賈靖

（中車大連機(jī)車研究所有限公司，遼寧 大連 116000）

由于機(jī)車控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，設(shè)計(jì)和分析難度較大，為避免試驗(yàn)過(guò)程中缺少對(duì)中斷延遲、執(zhí)行時(shí)間等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，影響控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能的研究，在研究中采用半實(shí)物仿真的測(cè)試方法，得到較為理想的試驗(yàn)結(jié)果，為縮短交流傳動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)時(shí)間、降低測(cè)試成本、提高系統(tǒng)軟硬件質(zhì)量和可靠性提供有利依據(jù)。

1 半實(shí)物仿真介紹

半實(shí)物仿真的測(cè)試方法分為快速控制原型(以下簡(jiǎn)稱RCP,Rapid Control Prototyping)和硬件在回路（以下簡(jiǎn)稱HIL,Hardware in the Loop），這兩種形式在整個(gè)半實(shí)物仿真試驗(yàn)過(guò)程中相輔相成。RCP過(guò)程采用“虛擬控制器+實(shí)際被控對(duì)象”的模式；HIL過(guò)程采用的是“實(shí)際控制器+虛擬被控對(duì)象”的模式。

其中，針對(duì)帶載有功率的設(shè)備主要采用HIL測(cè)試方式，因此機(jī)車控制器的半實(shí)物仿真采用HIL測(cè)試的方式。HIL測(cè)試方式是以實(shí)時(shí)處理器運(yùn)行仿真模型來(lái)模擬受控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)I/O接口與控制器實(shí)物相連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器的性能指標(biāo)、容錯(cuò)能力等方面的測(cè)試。

2 測(cè)試方案

（1）硬件平臺(tái)。測(cè)試過(guò)程中涉及的硬件平臺(tái)設(shè)備包括：上位機(jī)、轉(zhuǎn)換器、仿真機(jī)以及實(shí)際控制器，這些設(shè)備之間呈環(huán)形連接狀態(tài)。

上位機(jī)根據(jù)輸入的指令建立與實(shí)際控制器相對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行編碼，生成仿真機(jī)可識(shí)別的目標(biāo)代碼。目標(biāo)代碼經(jīng)上位機(jī)的通信轉(zhuǎn)換卡、通信線纜、仿真機(jī)通信接口下載至仿真機(jī)中。同時(shí)，上位機(jī)可以利用調(diào)試軟件根據(jù)實(shí)際控制器需要的工況和功能生成與之相應(yīng)的控制信號(hào)，并將該控制信號(hào)經(jīng)上位機(jī)的通信轉(zhuǎn)換頭和通信線纜傳輸?shù)綄?shí)際控制器中。

仿真機(jī)運(yùn)行經(jīng)由上位機(jī)而來(lái)的目標(biāo)代碼，并根據(jù)轉(zhuǎn)化器輸出的反饋信號(hào)生產(chǎn)環(huán)境模擬信號(hào)，將該環(huán)境模擬信號(hào)輸入轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)化器傳導(dǎo)環(huán)境模擬信號(hào)至機(jī)車的實(shí)際控制器，控制器生成的信號(hào)再經(jīng)由此路徑以反饋輸入信號(hào)的形式傳遞給仿真機(jī)。

通過(guò)斷線測(cè)試箱（以下簡(jiǎn)稱BOB，Break Out Box），可以在不中斷信號(hào)連接的情況下對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)試；也可以斷開(kāi)連接，直接從輸出端子處為實(shí)際控制器引入激勵(lì)信號(hào)或?qū)/O信號(hào)進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試，以確認(rèn)信號(hào)是否正確。BOB與實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)之間采用1對(duì)1的線纜連接，BOB與實(shí)際控制器之間的連接則是通過(guò)特殊的定制線纜，以滿足對(duì)不同型號(hào)控制器測(cè)試的需求。

調(diào)理板卡可以將仿真機(jī)輸出的環(huán)境模擬信號(hào)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)傳輸?shù)紹OB，而B(niǎo)OB輸出的信號(hào)也需要通過(guò)調(diào)理板卡進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)椒抡鏅C(jī)。調(diào)理板卡分為信號(hào)載板和調(diào)理子板，信號(hào)載板主要提供信號(hào)路由和給調(diào)理子板供電，調(diào)理子板則是對(duì)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)輸入的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將調(diào)理后的信號(hào)傳遞給實(shí)際控制器。一般情況下，模擬量和數(shù)字量均會(huì)做調(diào)理，而通信類信號(hào)則不經(jīng)過(guò)調(diào)理過(guò)程。

實(shí)際控制器輸出的各類信號(hào)通過(guò)調(diào)理板卡調(diào)理后，傳輸給仿真機(jī)板卡。因?yàn)樯婕暗男盘?hào)中，多為高電壓、大電流的信號(hào)，具有一定的危險(xiǎn)性，需經(jīng)調(diào)理板卡將仿真機(jī)與實(shí)際控制器隔離，并經(jīng)調(diào)理板卡對(duì)其進(jìn)行降壓減流調(diào)理。但如轉(zhuǎn)速等模擬信號(hào)，因自身頻率較高，調(diào)理板卡的信號(hào)調(diào)理硬件不對(duì)其進(jìn)行隔離。

（2）軟件平臺(tái)。測(cè)試所使用的軟件平臺(tái)是在具備硬件設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，以下簡(jiǎn)稱為HIL環(huán)境，HIL環(huán)境示意圖如下圖1所示。

圖1 HIL環(huán)境示意圖

HIL環(huán)境主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：半實(shí)物仿真測(cè)試和可靠性研究。半實(shí)物仿真測(cè)試：將驗(yàn)證后的離線仿真模型從上位機(jī)下載到HIL仿真機(jī)中。HIL仿真機(jī)之間通過(guò)反射內(nèi)存進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)分布式仿真。仿真機(jī)設(shè)備與實(shí)際控制器之間，通過(guò)信號(hào)調(diào)理實(shí)現(xiàn)接口匹配。試驗(yàn)過(guò)程中，可以通過(guò)仿真監(jiān)控軟件監(jiān)控實(shí)時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，也可通過(guò)自動(dòng)化測(cè)試軟件編輯測(cè)試用例和測(cè)試序列，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試?？煽啃匝芯渴菫榱藴y(cè)試實(shí)際控制器在某些故障狀態(tài)下，也可正常工作，用以確?？刂破骶哂辛己玫聂敯粜?。可靠性研究測(cè)試是通過(guò)BOB來(lái)實(shí)現(xiàn)的，BOB對(duì)每個(gè)硬件通道都設(shè)置了一組開(kāi)關(guān)，用以實(shí)現(xiàn)通路和斷路。在硬件管理軟件上可直接配置各開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器的故障注入，從而驗(yàn)證控制器的魯棒性能。

（3）測(cè)試實(shí)施。測(cè)試實(shí)施框架如下圖2所示。首先，根據(jù)測(cè)試需求，從服務(wù)器上下載已經(jīng)經(jīng)過(guò)Matlab離線仿真的HIL模型。將離線仿真模型進(jìn)行改造，改造的過(guò)程主要分為兩個(gè)部分：模型拆分和模型端口修改。

圖2 半實(shí)物仿真測(cè)試實(shí)施圖

模型拆分是將HIL模型拆分為兩個(gè)部分：一個(gè)部分是模型①，運(yùn)行在實(shí)時(shí)仿真機(jī)中，這部分模型對(duì)于仿真步長(zhǎng)的要求不高，一般為ms級(jí)；另一部分是模型②，主要運(yùn)行在FPGA中，這部分對(duì)仿真步長(zhǎng)要求較高，一般是us級(jí)。兩部分模型之間是通過(guò)CPCI端口連接和交換數(shù)據(jù)的。

模型①和模型②都需要進(jìn)行端口修改，才能被仿真機(jī)識(shí)別。模型①的端口修改是將DA或者AD端口直接用實(shí)時(shí)仿真機(jī)提供的RTD接口替換，從而將DA或者AD端口與實(shí)際板卡相互對(duì)應(yīng)起來(lái)。模型②的修改則相對(duì)復(fù)雜，包括模型端口修改和模型定步長(zhǎng)修改，模型端口修改與模型①的修改方式相同，是直接將外部端口用RTD端口進(jìn)行替換，從而保證數(shù)據(jù)通過(guò)這些端口和實(shí)際的控制器進(jìn)行交互。模型②的定步長(zhǎng)修改主要是因?yàn)镕PGA不能參與浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)的運(yùn)算，所以模型需要修改為定點(diǎn)型。

模型修改完成后，將模型①通過(guò)軟件配套工具下載到實(shí)時(shí)仿真機(jī)中，將模型②通過(guò)軟件相應(yīng)工具下載到FPGA板卡中，從而將整個(gè)模型在HIL環(huán)境中運(yùn)行起來(lái)。HIL環(huán)境運(yùn)行起來(lái)后，相應(yīng)的IO信號(hào)可通過(guò)線束，配合信號(hào)調(diào)理模塊、BOB和實(shí)際控制器互連進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。半實(shí)物仿真的HIL系統(tǒng)啟動(dòng)后，可調(diào)動(dòng)調(diào)試界面，通過(guò)界面對(duì)參數(shù)及變量進(jìn)行調(diào)整和監(jiān)控，并可根據(jù)測(cè)試需求編寫(xiě)或調(diào)用測(cè)試用例，通過(guò)人工或預(yù)設(shè)判斷自動(dòng)執(zhí)行的方式，對(duì)實(shí)時(shí)仿真機(jī)的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，確認(rèn)執(zhí)行結(jié)果是否滿足預(yù)期要求，到此即可驗(yàn)證機(jī)車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。

3 結(jié)語(yǔ)

半實(shí)物仿真測(cè)試手段應(yīng)用于機(jī)車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以為機(jī)車控制系統(tǒng)提供一個(gè)接近實(shí)際工作狀態(tài)的運(yùn)行環(huán)境，減少整個(gè)實(shí)際系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試的費(fèi)用，克服離線仿真中缺少中斷延遲、執(zhí)行時(shí)間數(shù)據(jù)采集的局限性，可方便快捷地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)預(yù)期效果，有效縮短研發(fā)周期，從而創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。